CN218677211U - 单电池以及燃料电池 - Google Patents

Abstract

本实用新型提出了单电池以及燃料电池。所述单电池包括质子交换膜(110)、位于所述质子交换膜(110)的阳极侧的阳极侧极板(123)、位于所述质子交换膜(110)的阴极侧的阴极侧极板(133)、在所述阳极侧极板(123)面向所述质子交换膜(110)的一侧一体地形成的阳极侧气体扩散层(122)以及在所述阴极侧极板(133)面向所述质子交换膜(110)的一侧一体地形成的阴极侧气体扩散层(132)。所述燃料电池包括壳体(11)以及容纳在所述壳体(11)内的电堆(12)，所述电堆(12)包括堆叠在一起的多个所述单电池。

Description

单电池以及燃料电池

技术领域

本实用新型涉及燃料电池技术领域，更具体地，涉及一种单电池以及一种燃料电池。

背景技术

单电池是燃料电池的核心部件，其一般包括质子交换膜以及位于质子交换膜两侧的催化剂层、气体扩散层以及双极板。在现有的单电池的设计中，诸如具有催化剂涂层的质子交换膜(CCM)、气体扩散层(GDL)和双极板(BPP)等部件往往单独制造然后组装在一起。然而，这带来了以下问题：1)不同部件之间(例如，气体扩散层与双极板之间，催化剂层与气体扩散层之间)的接触电阻较高，从而导致燃料电池的内阻较高；2)单独制备然后组装各个部件如质子交换膜、气体扩散层和双极板的成本较高；3)双极板需要额外的涂层，该涂层通常使用贵金属(例如，铂)，因此成本较高。

因此，本领域亟需一种能够减小单电池的各个部件之间的接触电阻并降低单电池的成本的技术方案。

实用新型内容

为了解决上述现有技术中的问题，本实用新型提出了一种改进的单电池，其包括质子交换膜、位于所述质子交换膜的阳极侧的阳极侧极板以及位于所述质子交换膜的阴极侧的阴极侧极板，其中，所述单电池还包括：在所述阳极侧极板面向所述质子交换膜的一侧一体地形成的阳极侧气体扩散层；以及在所述阴极侧极板面向所述质子交换膜的一侧一体地形成的阴极侧气体扩散层。

根据本实用新型的一种可选实施方式，所述阳极侧气体扩散层和所述阳极侧极板是通过3D打印而形成的一体结构，并且所述阴极侧气体扩散层和所述阴极侧极板是通过3D打印而形成的一体结构。

根据本实用新型的一种可选实施方式，所述单电池还包括：在所述阳极侧气体扩散层面向所述质子交换膜的一侧一体地形成的阳极侧催化剂层；以及在所述阴极侧气体扩散层面向所述质子交换膜的一侧一体地形成的阴极侧催化剂层。

根据本实用新型的一种可选实施方式，所述阳极侧催化剂层是通过溅射涂覆而形成在所述阳极侧气体扩散层上的一体结构，并且所述阴极侧催化剂层是通过溅射涂覆而形成在所述阴极侧气体扩散层上的一体结构。

根据本实用新型的一种可选实施方式，所述单电池还包括：在所述阳极侧催化剂层和所述阳极侧气体扩散层之间一体地形成的阳极侧多孔疏水层，所述阳极侧多孔疏水层具有疏水性结构；以及在所述阴极侧催化剂层和所述阴极侧气体扩散层之间一体地形成的阴极侧多孔疏水层，所述阴极侧多孔疏水层具有疏水性结构。

根据本实用新型的一种可选实施方式，所述单电池还包括：在所述阳极侧催化剂层面向所述质子交换膜的一侧一体地形成的阳极侧多孔亲水层，所述阳极侧多孔亲水层具有亲水性结构；以及在所述阴极侧催化剂层面向所述质子交换膜的一侧一体地形成的阴极侧多孔亲水层，所述阴极侧多孔亲水层具有亲水性结构。

根据本实用新型的一种可选实施方式，所述阳极侧气体扩散层被构造成使得，其在面向所述阳极侧极板一侧的孔的孔径大于其在面向所述阳极侧催化剂层一侧的孔的孔径；并且，所述阴极侧气体扩散层被构造成使得，其在面向所述阴极侧极板一侧的孔的孔径大于其在面向所述阴极侧催化剂层一侧的孔的孔径。

同样为了解决上述现有技术中的问题，本实用新型还提出了一种燃料电池，其包括壳体以及容纳在所述壳体内的电堆，其中，所述电堆包括堆叠在一起的多个如前文所述的单电池。

根据本实用新型的一种可选实施方式，每个单电池的阳极侧极板与相邻的单电池的阴极侧极板是一体结构，并且每个单电池的阴极侧极板与相邻的单电池的阳极侧极板是一体结构。

本实用新型可以体现为附图中的示意性的实施例。然而，应注意的是，附图仅仅是示意性的，任何在本实用新型的教导下所设想到的变化都应被视为包括在本实用新型的范围内。

附图说明

附图示出了本实用新型的示例性实施例。这些附图不应被解释为必然地限制本实用新型的范围，其中：

图1是根据本实用新型的一种实施方式的单电池的示意性截面图；

图2是根据本实用新型的单电池的极板与气体扩散层的示意性立体图；

图3是根据本实用新型的另一种实施方式的单电池的示意性截面图；

图4是根据本实用新型的再一种实施方式的单电池的示意性截面图；以及

图5是根据本实用新型的一种实施方式的燃料电池的示意性立体图。

具体实施方式

本实用新型的进一步的特征和优点将从以下参考附图进行的描述中变得更加明显。附图中示出了本实用新型的示例性实施例，并且各个附图并不必然地按照实际比例绘制。然而，本实用新型可以实现为许多不同的形式并且不应解释为必然地限制于这里示出公开的示例性实施例。相反，这些示例性实施例仅仅被提供用于说明本实用新型以及向本领域的技术人员传递本实用新型的精神和实质。

本实用新型旨在提出一种改进的单电池以及包括该单电池的燃料电池。该单电池的新颖设计使得既能够减小单电池的各个部件之间的接触电阻从而确保单电池具有较高的工作效率并减少其工作期间产生的热量，又能够加强单电池的各个部件之间的结合从而提高单电池的可靠性并延长其使用寿命，并且还能够降低单电池的各个部件在产品的制造、组装期间的成本从而降低单电池乃至整个燃料电池的成本。

下面参考附图详细描述根据本实用新型的单电池以及燃料电池的可选但非限制性的实施方式。

参考图1，其中示出了根据本实用新型的一种实施方式的单电池的示意性截面图。如图1所示，单电池100呈多个层堆叠在一起的多层结构，该单电池100包括质子交换膜(也可称为离子交换膜)110、位于质子交换膜110的阳极侧的阳极侧催化剂层121、阳极侧气体扩散层122、阳极侧极板123以及位于质子交换膜110的阴极侧的阴极侧催化剂层131、阴极侧气体扩散层132、阴极侧极板133。如图1所示，阳极侧气体扩散层122位于阳极侧催化剂层121的外侧(即，背对质子交换膜110的一侧)，而阳极侧极板123又位于阳极侧气体扩散层122的外侧，并且阴极侧气体扩散层132位于阴极侧催化剂层131的外侧，而阴极侧极板133又位于阴极侧气体扩散层132的外侧。特别地，阳极侧催化剂层121和阴极侧催化剂层131可以统称为催化剂层并且二者均为多孔结构，阳极侧气体扩散层122和阴极侧气体扩散层132可以统称为气体扩散层并且二者也均为多孔结构，阳极侧极板123和阴极侧极板133可以统称为极板并且二者在面向质子交换膜100的一侧均设有供反应气体流过的反应气体流场。

下面以用于氢氧燃料电池的单电池为例描述单电池的工作方式。在工作期间，在质子交换膜110的阳极侧，来自氢气源(例如，储氢罐)的氢气(或其他富氢气体)将流过阳极侧极板123上的阳极气体流场124，然后通过阳极侧气体扩散层122到达阳极侧催化剂层121，在阳极侧催化剂层121处，氢分子(H₂)将在催化剂的作用下分解成氢离子(H⁺)和电子(e^-)；在质子交换膜110的阴极侧，来自氧气源(例如，大气等)的空气将流过阴极侧极板133上的阴极气体流场134，然后通过阴极侧气体扩散层132到达阴极侧催化剂层131。在阳极侧催化剂层121处生成的氢离子(H⁺)将穿过质子交换膜110到达阴极侧催化剂层131，而在阳极侧催化剂层121处生成的电子(e^-)将经由阳极侧气体扩散层122传递至阳极侧极板123，并经由外部电路传递至阴极侧极板133，然后经由阴极侧气体扩散层132传递至阴极侧催化剂层131，这使得氧分子(O₂)与氢离子(H⁺)将在阴极侧催化剂层131处发生氧化还原反应从而生成水分子(H₂O)，并使得在外部电路中产生电流，由此实现了化学能向电能的转化。

由前文可知，在阳极侧催化剂层121处生成的电子(e^-)将依次通过阳极侧气体扩散层122、阳极侧极板123、外部电路、阴极侧极板133以及阴极侧气体扩散层132才能到达阴极侧催化剂层131，因此，单电池的上述各个部件自身的电阻以及彼此之间的接触电阻构成了电池内阻，这些电池内阻不仅消耗电能而且会产生不期望的热量，因此直接影响着单电池在工作期间的效率和稳定性。另外，在各个层之间的交界面处(尤其是极板与气体扩散层之间的交界面处)的接触电阻往往较大，甚至大于各个部件自身的电阻。因此，参考图2，其中示出了根据本实用新型的单电池的极板与气体扩散层的示意性立体图，阳极侧极板123与阳极侧气体扩散层122是一体结构，也就是说，阳极侧气体扩散层122在阳极侧极板123面向质子交换膜110的一侧一体地形成在阳极侧极板123上。在该配置下，由于阳极侧极板123与阳极侧气体扩散层122被形成为一体结构，因此阳极侧极板123与阳极侧气体扩散层122之间的交界面处的接触电阻被显著减小，这使得能够提高单电池的工作效率，并且减少单电池在工作期间产生的热量，另外还能够省去阳极侧极板123与阳极侧气体扩散层122的组装操作，从而降低单电池的成本。

特别地，阴极侧极板133与阴极侧气体扩散层132是一体结构，也就是说，阴极侧气体扩散层132在阴极侧极板133面向质子交换膜110的一侧一体地形成在阴极侧极板133上。在该配置下，由于阴极侧极板133与阴极侧气体扩散层132被形成为一体结构，因此阴极侧极板133与阴极侧气体扩散层132之间的交界面处的接触电阻被显著减小，这使得能够提高单电池的工作效率，并且减少单电池在工作期间产生的热量，另外还能够省去阴极侧极板133与阴极侧气体扩散层132的组装步骤，从而降低单电池的成本。

根据本实用新型的一种可选实施方式，阳极侧催化剂层121与阳极侧极板123和阳极侧气体扩散层122也是一体结构，也就是说，阳极侧催化剂层121在阳极侧气体扩散层122面向质子交换膜110的一侧一体地形成在阳极侧气体扩散层122上。在该配置下，由于阳极侧催化剂层121与阳极侧气体扩散层122被形成为一体结构，因此阳极侧催化剂层121与阳极侧气体扩散层122之间的交界面处的接触电阻也被显著减小，这使得能够进一步提高单电池的工作效率，并且进一步减少单电池在工作期间产生的热量，另外还能够省去阳极侧催化剂层121与阳极侧气体扩散层122的组装步骤，而且阳极侧催化剂层121还能够作为阳极侧极板123的涂层，从而省去在阳极侧极板123上另外施加涂层的步骤，这都有助于降低单电池的成本。

特别地，阴极侧催化剂层131与阴极侧极板133和阴极侧气体扩散层132也是一体结构，也就是说，阴极侧催化剂层131在阴极侧气体扩散层132面向质子交换膜110的一侧一体地形成在阴极侧气体扩散层132上。在该配置下，由于阴极侧催化剂层131与阴极侧气体扩散层132被形成为一体结构，因此阴极侧催化剂层131与阴极侧气体扩散层132之间的交界面处的接触电阻也被显著减小，这使得能够进一步提高单电池的工作效率，并且进一步减少单电池在工作期间产生的热量，另外还能够省去阴极侧催化剂层131与阴极侧气体扩散层132的组装步骤，而且阴极侧催化剂层131还能够作为阴极侧极板133的涂层，从而省去在阴极侧极板133上另外施加涂层的步骤，这都有助于降低单电池的成本。

根据本实用新型的一种可选实施方式，阳极侧气体扩散层122被构造成使得，其在面向阳极侧极板123一侧的孔的孔径大于其在面向阳极侧催化剂层121一侧的孔的孔径。特别地，阳极侧气体扩散层122中的孔的孔径随着靠近阳极侧催化剂层121而逐渐减小。在该配置下，可以使来自阳极气体流场124的阳极气体更加均匀地分布到阳极侧催化剂层121上，从而进一步提高单电池100的工作效率。

特别地，阴极侧气体扩散层132被构造成使得，其在面向阴极侧极板133一侧的孔的孔径大于其在面向阴极侧催化剂层131一侧的孔的孔径。特别地，阴极侧气体扩散层132中的孔的孔径随着靠近阴极侧催化剂层131而逐渐减小。在该配置下，可以使来自阴极气体流场134的阴极气体更加均匀地分布到阴极侧催化剂层131上，从而进一步提高单电池100的工作效率。参考图3，其中示出了根据本实用新型的另一种实施方式的单电池的示意性截面图。图3所示实施方式与图1所示实施方式的不同之处在于补充了阳极侧多孔疏水层125和阴极侧多孔疏水层135。如图3所示，在阳极侧气体扩散层122和阳极侧催化剂层121之间还具有一体地形成的阳极侧多孔疏水层125，其中，阳极侧多孔疏水层125具有疏水性结构(即，其结构呈疏水性)，例如，阳极侧多孔疏水层125中的孔的孔径小于阳极侧气体扩散层122中的孔的孔径。在该配置下，一方面，一体形成的阳极侧多孔疏水层125可以进一步降低接触电阻；另一方面，阳极侧多孔疏水层125的存在还有利于改善水管理，由于阳极侧多孔疏水层125的孔径小于阳极侧气体扩散层122的孔径，因此会形成孔径梯度并因此形成压力梯度，从而迫使水分从阳极侧催化剂层121向阳极侧气体扩散层122传输，这有助于阻碍液态水在在阳极侧催化剂层121表面凝聚长大，从而防止电池水淹。

特别地，在阴极侧气体扩散层132和阴极侧催化剂层131之间也具有一体地形成的阴极侧多孔疏水层135，其中，阴极侧多孔疏水层135具有疏水性结构，例如，阴极侧多孔疏水层135中的孔的孔径小于阴极侧气体扩散层132中的孔的孔径。在该配置下，一方面，一体形成的阴极侧多孔疏水层135可以进一步降低接触电阻；另一方面，阴极侧多孔疏水层135的存在还有利于改善水管理，由于阴极侧多孔疏水层135的孔径小于阴极侧气体扩散层132的孔径，因此会形成孔径梯度并因此形成压力梯度，从而迫使水分从阴极侧催化剂层131向阴极侧气体扩散层132传输，这有助于阻碍液态水在在阴极侧催化剂层131表面凝聚长大，从而防止电池水淹。另外，阳极侧多孔疏水层125和阴极侧多孔疏水层135可以统称为多孔疏水层。

参考图4，其中示出了根据本实用新型的再一种实施方式的单电池的示意性截面图。图4所示实施方式与图3所示实施方式的不同之处在于补充了阳极侧多孔亲水层126和阴极侧多孔亲水层136。如图4所示，在阳极侧催化剂层121面向质子交换膜110的一侧还具有一体地形成的阳极侧多孔亲水层126，也就是说，阳极侧多孔亲水层126在阳极侧催化剂层121面向质子交换膜110的一侧一体地形成在阳极侧催化剂层121上，其中，阳极侧多孔亲水层126具有亲水性结构(即，其结构呈亲水性)。在该配置下，与阳极侧多孔疏水层125相配合，有助于确保阳极侧催化剂层121的水平衡状态，这使得阳极侧催化剂层121既能够在低湿度条件下为质子交换膜110提供水分以降低质子交换膜110的电阻从而提高单电池的工作效率，又能够在高湿度条件下将多余的水分排出到阳极侧气体扩散层122以防止电池水淹。

特别地，在阴极侧催化剂层131面向质子交换膜110的一侧还具有一体地形成的阴极侧多孔亲水层136，也就是说，阴极侧多孔亲水层136在阴极侧催化剂层131面向质子交换膜110的一侧一体地形成在阴极侧催化剂层131上，其中，阴极侧多孔亲水层136具有亲水性结构。在该配置下，与阴极侧多孔疏水层135相配合，有助于确保阴极侧催化剂层131的水平衡状态，这使得阴极侧催化剂层131既能够在低湿度条件下为质子交换膜110提供水分以降低质子交换膜110的电阻从而提高单电池的工作效率，又能够在高湿度条件下将多余的水分排出到阴极侧气体扩散层132以防止电池水淹。

参考图5，其中示出了根据本实用新型的一种实施方式的燃料电池的示意性立体图。如图5所示，燃料电池10包括壳体11以及容纳在该壳体11内的电堆12，该电堆12包括堆叠在一起的多个单电池100，并且每个单电池100的阳极侧极板123与在其阳极侧相邻的单电池100的阴极侧极板133是一体结构，也就是说二者一体地形成，并且每个单电池100的阴极侧极板133与在其阴极侧相邻的单电池100的阳极侧极板123是一体结构，也就是说二者一体地形成。在该配置下，一个单电池100的阳极侧催化剂层121、阳极侧气体扩散层122、阳极侧极板123与相邻的单电池100的阴极侧催化剂层131、阴极侧气体扩散层132、阴极侧极板133一体地形成，这省去了上述各个部件的组装步骤，从而有助于降低电堆以及燃料电池的成本。

值得一提的是，本文中的所述“一体形成”可以通过3D打印、激光烧结、激光蚀刻、溅射涂覆等工艺实现。例如，可以以钛(Ti)粉为原材料通过3D打印工艺来形成极板和气体扩散层的一体结构，然后在气体扩散层面向质子交换膜的一侧以铂(Pt)为原材料通过溅射涂覆工艺形成催化剂层。

以上借助于附图详细描述了根据本实用新型的单电池以及燃料电池的可选但非限制性的实施例。对于本领域内的那些普通技术人员来说，在不偏离本公开的精神和实质的情况下，对技术和结构的修改和补充以及对各实施例中的特征的重新组合显然都应视为包括在本实用新型的范围内。因此，在本实用新型的教导下所能够设想到的这些修改和补充都应被视为本实用新型的一部分。本实用新型的范围包括在本实用新型的申请日时已知的等效技术和尚未预见的等效技术。

Claims (9)

1.单电池，其包括质子交换膜(110)、位于所述质子交换膜(110)的阳极侧的阳极侧极板(123)以及位于所述质子交换膜(110)的阴极侧的阴极侧极板(133)，其特征在于，所述单电池(100)还包括：

在所述阳极侧极板(123)面向所述质子交换膜(110)的一侧一体地形成的阳极侧气体扩散层(122)；以及

在所述阴极侧极板(133)面向所述质子交换膜(110)的一侧一体地形成的阴极侧气体扩散层(132)。

2.根据权利要求1所述的单电池，其特征在于，所述阳极侧气体扩散层(122)和所述阳极侧极板(123)是通过3D打印而形成的一体结构，并且所述阴极侧气体扩散层(132)和所述阴极侧极板(133)是通过3D打印而形成的一体结构。

3.根据权利要求1或2所述的单电池，其特征在于，所述单电池(100)还包括：

在所述阳极侧气体扩散层(122)面向所述质子交换膜(110)的一侧一体地形成的阳极侧催化剂层(121)；以及

在所述阴极侧气体扩散层(132)面向所述质子交换膜(110)的一侧一体地形成的阴极侧催化剂层(131)。

4.根据权利要求3所述的单电池，其特征在于，所述阳极侧催化剂层(121)是通过溅射涂覆而形成在所述阳极侧气体扩散层(122)上的一体结构，并且所述阴极侧催化剂层(131)是通过溅射涂覆而形成在所述阴极侧气体扩散层(132)上的一体结构。

5.根据权利要求3所述的单电池，其特征在于，所述单电池(100)还包括：

在所述阳极侧催化剂层(121)和所述阳极侧气体扩散层(122)之间一体地形成的阳极侧多孔疏水层(125)，所述阳极侧多孔疏水层(125)具有疏水性结构；以及

在所述阴极侧催化剂层(131)和所述阴极侧气体扩散层(132)之间一体地形成的阴极侧多孔疏水层(135)，所述阴极侧多孔疏水层(135)具有疏水性结构。

6.根据权利要求3所述的单电池，其特征在于，所述单电池(100)还包括：

在所述阳极侧催化剂层(121)面向所述质子交换膜(110)的一侧一体地形成的阳极侧多孔亲水层(126)，所述阳极侧多孔亲水层(126)具有亲水性结构；以及

在所述阴极侧催化剂层(131)面向所述质子交换膜(110)的一侧一体地形成的阴极侧多孔亲水层(136)，所述阴极侧多孔亲水层(136)具有亲水性结构。

7.根据权利要求3所述的单电池，其特征在于，所述阳极侧气体扩散层(122)被构造成使得，其在面向所述阳极侧极板(123)一侧的孔的孔径大于其在面向所述阳极侧催化剂层(121)一侧的孔的孔径；并且，所述阴极侧气体扩散层(132)被构造成使得，其在面向所述阴极侧极板(133)一侧的孔的孔径大于其在面向所述阴极侧催化剂层(131)一侧的孔的孔径。

8.燃料电池，其包括壳体(11)以及容纳在所述壳体(11)内的电堆(12)，其特征在于，所述电堆(12)包括堆叠在一起的多个根据权利要求1-7中任一项所述的单电池。

9.根据权利要求8所述的燃料电池，其特征在于，每个单电池(100)的阳极侧极板(123)与相邻的单电池(100)的阴极侧极板(133)是一体结构，并且每个单电池(100)的阴极侧极板(133)与相邻的单电池(100)的阳极侧极板(123)是一体结构。

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